Източници на електрони, видове електронно излъчване, причини за йонизация
За да се разберат и обяснят принципите на работа на електронните устройства, е необходимо да се отговори на следния въпрос:как се отделят електроните?Ще отговорим в тази статия.
В съответствие със съвременната теория, атомът се състои от ядро, което има положителен заряд и концентрира в себе си почти цялата маса на атома, и отрицателно заредени електрони, разположени около ядрото. Атомът като цяло е електрически неутрален, следователно, зарядът на ядрото трябва да бъде равен на заряда на заобикалящите го електрони.
Тъй като всички химикали са изградени от молекули, а молекулите са от атоми, всяко вещество в твърдо, течно или газообразно състояние е потенциален източник на електрони. Всъщност и трите агрегатни състояния на материята се използват в техническите устройства като източник на електрони.
Особено важен източник на електрони са металите, които обикновено се използват за тази цел под формата на жици или панделки.
Възниква въпросът: ако такава нажежаема жичка съдържа електрони и ако тези електрони са относително свободни, тоест те могат да се движат повече или по -малко свободно вътре в метала (че това наистина е така, ние се убеждаваме, че дори много малък потенциал разликата, приложена към двата края на такава нишка, насочва потока от електрони по нея), тогава защо електроните не излитат от метала и при нормални условия не образуват източник на електрони? Прост отговор на този въпрос може да се даде въз основа на елементарната електростатична теория.
Да предположим, че електроните напускат метала. Тогава металът трябва да придобие положителен заряд. Тъй като зарядите на противоположни знаци се привличат взаимно, електроните отново ще бъдат привлечени към метала, освен ако някакво външно влияние не попречи на това.
Има няколко начина, по които на електроните в метала може да се даде достатъчно енергия, за да напуснат метала:
1. Термионно излъчване
Термионното излъчване е излъчването на електрони от нажежаеми тела. Термионното излъчване е изследвано в твърди тела и най -вече в метали и полупроводници във връзка с използването им като материал за термионни катоди на електронни устройства и преобразуватели на топлина в електрическа енергия.
Явлението загуба на отрицателно електричество от телата, когато се нагряват до температура над бялата топлина, е известно от края на 18 век. В. В. Петров (1812), Томас Едисон (1889) и други установяват редица качествени закони на това явление. Към 30 -те години на ХХ век бяха определени основните аналитични връзки между броя на излъчваните електрони, телесната температура и работната функция.
Токът, който тече през нажежаемата жичка, когато се приложи напрежение към краищата й, загрява нишката. Когато температурата на метала е достатъчно висока, електроните ще напуснат повърхността на метала и ще излязат в околното пространство.
Използваният по този начин метал се нарича термионен катод, а освобождаването на електрони по този начин се нарича термионно излъчване. Процесите, причиняващи термионно излъчване, са подобни на процесите на изпаряване на молекули от повърхността на течността.
И в двата случая трябва да се свърши някаква работа.В случай на течност, тази работа е латентната топлина на изпаряване, равна на енергията, необходима за превръщането на един грам вещество от течно в газообразно състояние.
В случай на термионно излъчване, така наречената работна функция е минималната енергия, необходима за изпаряване на един електрон от метала. Вакуумните усилватели, използвани преди това в радиотехниката, обикновено са имали термионни катоди.
2. Фотоемисия
Действието на светлината върху повърхността на различни материали също води до освобождаване на електрони. Енергията на светлината се използва за осигуряване на електроните на веществото с необходимата допълнителна енергия, така че да могат да напуснат метала.
Материалът, използван като източник на електрони в този метод, се нарича фотоволтаичен катод, а процесът на освобождаване на електрони е известен като фотоволтаични или фотоелектронни емисии… Този начин за освобождаване на електрони е в основата на електрическото око — фотоклетка.
3. Вторични емисии
Когато частици (електрони или положителни йони) ударят метална повърхност, част от кинетичната енергия на тези частици или цялата им кинетична енергия може да бъде предадена на един или повече електрони на метала, в резултат на което те придобиват енергия, достатъчна за напускане метала. Този процес се нарича вторична електронна емисия.
4. Автоелектронни емисии
Ако в близост до повърхността на метала съществува много силно електрическо поле, то то може да издърпа електрони от метала. Това явление се нарича полева емисия или студена емисия.
Живакът е единственият метал, който се използва широко като емисионен катод на полето (в старите живачни токоизправители). Живачните катоди позволяват много висока плътност на тока и позволяват проектирането на токоизправители до 3000 kW.
Електроните също могат да бъдат освободени от газообразно вещество по няколко начина. Процесът, при който атомът губи електрон, се нарича йонизация.… Атом, който е загубил електрон, се нарича положителен йон.
Процесът на йонизация може да се осъществи поради следните причини:
1. Електронна бомбардировка
Свободният електрон в напълнена с газ лампа може поради електрическото поле да придобие енергия, достатъчна за йонизиране на газова молекула или атом. Този процес може да има лавинен характер, тъй като след избиване на електрон от атом, и двата електрона в бъдеще, когато се сблъскат с частици газ, могат да освободят нови електрони.
Първичните електрони могат да бъдат освободени от твърдо вещество по всеки от методите, обсъдени по -горе, а ролята на твърдо вещество може да се играе както от черупката, в която е затворен газът, така и от всеки от електродите, разположени вътре в лампата. Първичните електрони също могат да бъдат генерирани чрез фотоволтаично излъчване.
2. Фотоелектрична йонизация
Ако газът е изложен на видима или невидима радиация, тогава енергията на тази радиация може да бъде достатъчна (когато се абсорбира от атом), за да изтръгне част от електроните. Този механизъм играе важна роля при определени видове газоразряд. Освен това в газ може да възникне фотоелектричен ефект поради излъчването на възбудени частици от самия газ.
3. Положително йонно бомбардиране
Положителният йон, ударил неутрална молекула на газа, може да освободи електрон, както в случая с електронна бомбардировка.
4. Термична йонизация
Ако температурата на газа е достатъчно висока, тогава някои от електроните, съставляващи неговите молекули, могат да придобият достатъчно енергия, за да напуснат атомите, към които принадлежат. Това явление е подобно на термоелектрическото излъчване от метал.Този вид емисии играят роля само в случай на мощна дъга при високо налягане.
Най -значима роля играе йонизацията на газа в резултат на електронна бомбардировка. Фотоелектричната йонизация е важна при някои видове газоразряд. Останалите процеси са по -малко важни.
До сравнително наскоро вакуумни устройства с различен дизайн бяха използвани навсякъде: в комуникационните технологии (особено радиокомуникациите), в радарите, в енергетиката, в приборостроенето и т.н.
Използването на електровакуумни устройства в областта на енергетиката се състои в преобразуване на променлив ток в постоянен ток (коригиране), преобразуване на постоянен ток в променлив ток (инвертиране), промяна на честотата, регулиране на скоростта на електродвигателите, автоматично контролиране на напрежението на променлив ток и генератори на постоянен ток, включващи и изключващи значителни мощности при електрическо заваряване, управление на осветлението.
Електронни тръби — история, принцип на действие, дизайн и приложение
Използването на взаимодействието на радиацията с електрони доведе до създаването на фотоклетки и газоразрядни източници на светлина: неонови, живачни и флуоресцентни лампи. Електронното управление беше от изключително значение в схемите за театрално и промишлено осветление.
Понастоящем всички тези процеси използват полупроводникови електронни устройства и се използват за осветление LED технология.